UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
CENTRO DE ENERGIA NUCLEAR NA AGRICULTURA
MAÍRA OMETTO BEZERRA
Dinâmica do nitrogênio no solo e sua implicação na qualidade da água
em uma bacia hidrográfica com diferentes tipos de uso de solo com
ênfase no papel da floresta ripária
MAÍRA OMETTO BEZERRA
Dinâmica do nitrogênio no solo e sua implicação na qualidade da água em
uma bacia hidrográfica com diferentes tipos de uso de solo
com ênfase no papel da floresta ripária
Tese apresentada ao Centro de Energia Nuclear na Agricultura para obtenção do título de Mestre em Ciências
Área de Concentração: Química na Agricultura e no Ambiente
Orientador: Prof. Dr. Luiz Antonio Martinelli
AUTORIZO A DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
Seção Técnica de Biblioteca - CENA/USP
Bezerra, Maíra Ometto
Dinâmica do nitrogênio no solo e sua implicação na qualidade da água em uma bacia hidrográfica com diferentes tipos de uso do solo com ênfase no papel da floresta ripária / Maíra Ometto Bezerra; orientador Luiz Antonio Martinelli. - -
Piracicaba, 2009. 129 f.: il.
Dissertação (Mestrado – Programa de Pós-Graduação em Ciências. Área de Concentração: Química na Agricultura e no Ambiente) – Centro de Energia Nuclear na Agricultura da Universidade de São Paulo.
1. Biogeoquímica 2. Desnitrificação 3. Mineralização 4. Nitrato 5. Nitrificação 6. Poluição da água 7. Poluição difusa 8. Zona ripária I. Título
DEDICO
A minha mãe, Elisete Ometto Bezerra, e ao meu pai, José de Ribamar Lopes Bezerra, com muita alegria, admiração e gratidão ao esforço empregado à provisão das condições necessárias para que eu siga o meu próprio caminho e também pelo amor e confiança que depositaram e depositam em mim.
Dedico também ao Wick Manfrinato com extrema gratidão por ser um dos pilares para que eu desenvolvesse esse projeto e pelo seu amor.
OFEREÇO
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador Prof. Dr. Luiz Antonio Martinelli (Zebu) por, primeiramente, ter dado a oportunidade de ser sua aluna e por ter aceitado a “minha” proposta de trabalho, bem como pela confiança depositada em mim para a realização do mesmo. Agradeço também sua paciência e orientações ao longo do processo, especialmente, ao final da elaboração do texto. E ainda, agradeço por todas as oportunidades oferecidas, as quais aumentaram o meu fascínio pelo estudo da Natureza.
À Plant Inteligência Ambiental Ltda, especialmente, pela proposta de trabalho, a qual permitiu que eu lançasse um olhar mais prático sobre a ciência, bem como, agradeço o financiamento dado ao projeto, sem ele este trabalho não poderia ser desenvolvido.
Ao Centro de Energia Nuclear na Agricultura, em especial, ao laboratório de Ecologia Isotópica que me aprovaram e me acolheram para estudar.
Ao CNPq pela bolsa de estudos concedida.
Ao pesquisador do INPE, Jean Pierre Ometto pelas idéias e atenção a elaboração da proposta inicial desse projeto.
À Profa. Janaina Braga do Carmo elas orientações sobre o estudo de solo, pela confiança e pelas conversas que bastante ajudaram na condução do trabalho.
Aos pesquisadores do Ecosystems Center, Dr. Chris Neill e Dra. Linda Deegan pela atenção e orientação quanto à elaboração da proposta inicial deste projeto. E também por me mostrarem o que é fazer ciência séria.
Ao seu Otaide e sua família da Fazenda Cachoeira (Jundiaí), a dona Fátima e ao seu Cido (Itupeva), ao seu Mário Darcy da uva (Itupeva), ao seu Mário e sua família também da Fazenda Cachoeira e aos donos da Fazenda Cachoeira (que não conheci) os quais permitiram que eu entrasse em suas propriedades para fazer as minhas coletas. Muito obrigada pela receptividade! Agradeço em especial ao seu Mário da uva, pelas caixas de uva que me deu e também pelos seus ensinamentos sobre o cultivo da uva.
trabalho no laboratório fosse agradável. Agradeço também pelas conversas que muito me ajudaram nos momentos de tensão extrema.
À mãozinha dada por meus colegas em minhas coletas de campo, sem eles esse trabalho não poderia ter sido completado: Lucas Bezerra, meu Pai, Fá, Edmar Mazzi, Wick, Michela Figueira, Marcos Scaranello, José Mauro, Ana Paula Leone, Eduardo Vasconcellos (Duzão), Leonardo Martinelli, Daniel, Ricardo (Torto).
Ao Dr. Roger Burke da United States Environmental Protection Agency pela ajuda prestada aos cálculos da desnitrificação potencial.
À Marília Henyei pela correção de minhas referências.
A minha família, Elisete Ometto Bezerra (mãe), José de Ribamar Lopes Bezerra (pai), Tainá e Lucas Ometto Bezerra, pelo amor e por principalmente terem a capacidade de suportar o meu estresse e por apoiarem as minhas decisões, apesar delas parecerem não tão boas, às vezes.
A minha irmã, Tainá Ometto Bezerra (Tshei) que, apesar de ser mais nova, tem se mostrado mais madura do que eu, me mostrando como transpor certas barreiras, imprescindíveis para me centrar em minha vida e, conseqüentemente, em meu trabalho de mestrado. E também por me lembrar que sou uma chata e que tenho muito a melhorar como pessoa. Ah... e ainda por achar carinhosamente que sou um “ser adoentado”, fazendo com que eu questione certos “achismos” que tenho.
Ao meu irmão, Lucas Ometto Bezerra (Lê), por ser um companheiro de atividades físicas, mesmo que às vezes só em pensamento, sem elas eu não conseguiria controlar a minha ansiedade.
A minha Tia Nair, minha segunda mãe, que esteve sempre presente para segurar a minha mão em vários momentos difíceis durante o processo. E, em especial, pelo carinho e atenção dedicados aos tantos almoços que fez, faz e fará para mim para que eu esteja sempre bem alimentada.
À Michela Figueira pela amizade e companheirismo e, especialmente, por me incentivar em meus sonhos profissionais.
Ao Eráclito Neto (Era) pelas orientações sobre como usar o GC e também por ser uma ótima companhia de balada, especialmente, Noites da Vodka, sem esses momentos de lazer, não seria possível sobreviver às pressões advindas do trabalho.
Ao J. (José Mauro) pelas “ajudas” com o GC e também pelas conversas e companhia em calangadas noturnas.
Aos meus colegas do laboratório de Ecologia Isotópica que deram o colorido ao processo, Prof. Reynaldo Victoria, Prof. Plínio Camargo, Fá, Simoni Grilo, Bethe Ravagnani, Luciana Coleta, Rodrigo Trevisan (Rodrigão) – em especial pelas cantorias, Era, Luiz Felipe Salemi (Urso), Juliano Groppo (Joba), Tatiana Morgan, Susian Martins, Vânia Neu, Giovanna, Ney Leite, Jadson, Fernando Godoy, Alexandre (Presunto), Eráclito, Michela, J., Duzão, Bruno Pereira, Sandra Furlan, Alexandra, Gabriela Nardoto, Simone Viera, Uwe Herpin, Edmar Mazzi, Maria Antonio (Tonica), Geraldo Arruda (Gera).
Aos técnicos do laboratório de Análises Ambientais e Geoprocessamento do CENA, Gustavo, Alexandra Montebello e Talita pelo apoio técnico dado muitas vezes durante o período de trabalho.
Ao Prof. Zilmar Z. Marcos por ser minha referência filosófica e pela conversa nos últimos momentos da elaboração da dissertação, quando estava à beira de um ataque de nervos.
Ao Prof. Sílvio Ferraz pela orientação e suporte técnico no que disse respeito ao georreferenciamento das imagens de minha bacia hidrográfica e descrição do uso do solo da mesma.
Ao Danilo Matsuda, da Plant, pelas ajudas técnicas como ArcGiz.
As minhas amigas do coração Carol Postascheff e Ana Paula Leone que, com muito esforço, tentaram e conseguiram, algumas vezes, me tirar do trabalho para poder esfriar a cabeça um pouquinho.
Ao meu MELHOR amigo Tiago Eloi que, apesar da distância, sempre está presente para dividir os momentos de alegria e tristeza e conversar sobre qual é o sentido da vida.
A minha queria amiga Larissa Tosetti (Tops) pelas conversas que tanto acalmam o meu coração.
À Erica Pacheco Ferraz (Eri) por estar sempre receptiva a dividir a minha vida, as minhas descobertas, os meus erros etc.
Às meninas da república O Beko que trazem muitos momentos de descontração para aliviar o estresse.
A minha irmã de coração, Ana Paula Sevilha, que só se sentir a sua energia já tenho mais força.
“Prima faro alcuna esperienza, avanti ch’io più proceda, perché mia intenzione è alegare prima la sperenzia e po’ colla ragione dimostrare perché tale esperienza è constretta in tal modo ad operare; e questa è la vera regola come li speculation delli effetti naturali hanno a procedere.”
(Leonardo da Vinci – Ms. E, folio 55r)
RESUMO
BEZERRA, M.O. Dinâmica do nitrogênio no solo e sua implicação na qualidade da água em uma bacia hidrográfica com diferentes tipos de uso de solo com ênfase no papel da floresta ripária. 2009. 129 f. Dissertação (mestrado) – Centro de Energia Nuclear na Agricultura – Universidade de São Paulo, Piracicaba, 2009.
ABSTRACT
BEZERRA, M.O. Nitrogen dynamic in the soil and its implication on the water quality of a watershed where different land uses are present with emphasis on the role of riparian forest. 2009. 129 f. Dissertação (Mestrado) – Centro de Energia Nuclear na Agricultura – Universidade de São Paulo, Piracicaba, 2009.
Although nitrogen is a limiting nutrient, in excess, it can lead to the degradation of aquatic systems. Despite the fact that at national level Brazil does not have problems of water scarcity; regions highly populated are already facing deficit of water, caused among other things by nitrogen diffuse pollution. Riparian zones have been indicated as an attribute of the watershed that can maintain quality of water because their capacity in preventing diffuse pollution. Denitrification is one, if not the primary process responsible for this function, converting nitrate to gaseous N2O or N2. Considering that studies about the role of riparian vegetations in removing nitrogen loads are concentrated in temperate countries, and that altered landscapes is the main land cover of the State of Sao Paulo, where water scarcity is already a problem; understanding about the role of riparian zones on nitrogen dynamics is fundamental to orient land management practices aiming at preservation of aquatic systems in tropical regions. The objective of this study is to investigate whether processes that regulate the nitrogen dynamic in the soil change among altered landscapes, emphasizing the role of riparian vegetations as nitrogen sinks. The study area is the Caxambu watershed which is under intense anthropogenic influence. Two streams were selected: (i) Cachoeira stream draining a pasture slope with a riparian zone under pasture use and (ii) Caxambu stream draining an agricultural slope with riparian forests. Soil solution extractors were installed in each slope to quantify the concentration of dissolved inorganic nitrogen (DIN) at 50 cm deep during one year. Soil samples were collected at four sites: riparian zone with pasture, upland with pasture, riparian zone with forest, and upland with agriculture in order to quantify net mineralization, net nitrification, and denitrification potential during five months, in a period of one year. Physical-chemical variables, including DIN, in each stream were monitored during one year. The results show that nitrogen cycling in riparian forests soils is more intense than riparian pastures. Net mineralization and net nitrification are higher at riparian forests in relation to riparian pastures and other sampled sites. However there is no significant difference between riparian forests and riparian pastures in relation to denitrification potential. There is no significant difference between DIN concentration in the soil solution at pasture slope, and these concentrations are relatively low. On the contrary, at the agricultural slope under fertilization DIN concentrations are reduced significantly as soil solution moves through the riparian forests. This reduction could be the result of higher denitrification that occurs at riparian forest soils. However, besides denitrification other processes may be playing important role as modulators of nitrogen dynamic in the soils of riparian forests. Because the results show that nitrogen cycling is lower in the pasture compared to forest, inferring about the role that riparian pastures could play as nitrogen sinks was limited. In conclusion there is an indication that riparian forests can play an important role as nitrogen sink at altered landscapes in tropical region. Therefore restoring riparian zones could be an interesting tool to further deterioration of aquatic systems.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Representação esquemática do ciclo do nitrogênio na biosfera... 22 Figura 2 Diagrama hole-in-the pipe sobre a produção de NO e N2O pelos processos de
nitrificação e desnitrificação... 25 Figura 3 Distribuição original da Floresta Atlântica em antes de 1500 e a sua distribuição nos
anos 1990. Pequenos fragmentos não estão representados no mapa... 33 Figura 4 Uso do solo e hidrografia da bacia hidrográfica do ribeirão Caxambu... 40 Figura 5 Média histórica da temperatura (oC) (♦) e da precipitação (mm) (■) para o período de
1961 a 1990 na cidade de Jundiaí. ... 44 Figura 6 (a) Hidrografia da bacia do ribeirão Caxambu com destaque para os trechos dos
ribeirões estudados inclui localização dos locais de coleta de água (b) Uso do solo da área de drenagem do trecho do ribeirão Cachoeira, incluindo localização dos locais de coleta de água (c) Uso do solo da área de drenagem do trecho do ribeirão Caxambu, incluindo localização dos locais de coleta de água (d) Imagem Google Earth sobre o uso do solo das áreas adjacentes aos locais de coleta de água para coleta de solo no trecho do ribeirão Cachoeira (e) Imagem Google Earth sobre o uso do solo das áreas adjacentes aos locais de coleta de água para coleta de solo no trecho do ribeirão
Caxambu... 45 Figura 7 Esquema explicativo dos locais de amostragem de água dos ribeirões, solo e solução
do solo... 48 Figura 8 (a) Área de drenagem para instalação dos extratores de solução do solo na pastagem,
vista a partir do ribeirão Cachoeira (b) Detalhe da zona ripária com pastagem na área de drenagem na pastagem e extratores alinhados na zona ripária (c) Detalhe do extrator de solução no solo protegido por arame farpado (d) Área de drenagem para instalação dos extratores de solução do solo com floresta ripária e encosta com
produção de uva, com detalhe do extrator de solução do solo... 49 Figura 9 Efeito do acetileno na nitrificação e na desnitrificação... 54 Figura 10 (a) Frasco de incubação e seringa acoplada ao sistema de abertura e fechamento do
frasco (b) Filtros de carvão ativado acoplados ao cilindro de gás acetileno (c) Vials
para armazenamento de gás e seringas para retirada de gás para cada um dos frascos de incubação (d) Cromatógrafo gasoso Shimatzu 14-A utilizado para detecção das
concentrações de óxido nitroso... 57 Figura 11 (a) Detalhe sistema seringa válvula e mangueira da bomba de vácuo acoplada à
borracha de vedamento do extrator de solução do solo (b) Bomba de vácuo acoplada a ao extrator de solução de solo (c) Seringa acoplada a mangueira de silicone inserida ao extrator de solução de solo... 60 Figura 12 Ilustração da seção do ribeirão para medição da velocidade. Os pontos em preto
indicam a 0,6 da profundidade onde foi alocado o molinete. A letra b indica a
distância entre duas verticais... 63 Figura 13 Dispersão do somatório de cargas cátions (TZ+) e ânions (TZ-) em µEq.L-1 das
amostras de solução do solo. Inclui reta na proporção 1:1... 72 Figura 14 Dispersão do somatório de cargas cátions (TZ+) e ânions (TZ-) em µEq.L-1 das
amostras de água coletadas nos ribeirões Cachoeira e Caxambu. Inclui reta na
proporção 1:1... 76 Figura 15 Variação da vazão (L.s-1) nos dois trechos estudados: ribeirão Cachoeira e ribeirão
de 2007 a julho de 2008. As linhas (─) são linhas de tendência do tipo distância dos mínimos quadrados ponderada...
77
Figura 16 Variação da concentração de nitrato (µM) em função da sazonalidade para os dois ribeirões: Cachoeira – ordem 3 e Caxambu – ordem 4. As linhas (─) são linhas de
tendência do tipo distância dos mínimos quadrados ponderada... 80 Figura 17 Variação da concentração de amônio (µM) em função da sazonalidade para os dois
ribeirões: Cachoeira – ordem 3 e Caxambu – ordem 4. As linhas (─) são linhas de
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Erro prático permitido em função da condutividade elétrica da amostra... 61 Tabela 2 Análise Kruskal-Wallis sobre o efeito do tipo de cobertura do solo sobre as
variáveis: umidade e matéria orgânica do solo (%), N-NH4+ e N-NO3- extraídos do solo (mg N.kg-1), taxa líquida de mineralização e taxa líquida de nitrificação
(mgN.kg-1.dia-1) e desnitrificação potencial (µg N.g-1.dia-1)... 69 Tabela 3 Medianas e percentis 25 e 75 das variáveis: umidade e matéria orgânica do solo
(%), N-NH4+ e N-NO3- extraídos do solo (mg N.kg-1), taxa líquida de
mineralização e taxa líquida de nitrificação (mg N.kg-1.dia-1) e desnitrificação potencial (µg N.g-1.dia-1). As letras indicam quais locais diferiram entre si para
cada variável testada... 69 Tabela 4 Análise Kruskal-Wallis sobre o efeito do período sobre as variáveis: umidade e
matéria orgânica do solo (%), N-NH4+ e N-NO3- extraídos do solo (mg N.kg-1), taxa líquida de mineralização e taxa líquida de nitrificação (mg N.kg-1.dia-1) e
desnitrificação potencial (µg N.g-1.dia-1)... 70 Tabela 5 Matriz de correlação de Spearman entre todos os valores das variáveis: umidade e
matéria orgânica do solo (%), N-NH4+ e N-NO3- extraídos do solo (mg N.kg-1), taxa líquida de mineralização e taxa líquida de nitrificação (mg N.g-1.dia-1) e
desnitrificação potencial (µg N.g-1.dia-1)... 71 Tabela 6 Análise Kruskal-Wallis sobre o efeito do tipo de cobertura do solo sobre as
variáveis: C.E (µS.cm-1), nitrato (µM), nitrito (µM) e amônio (µM) da solução do
solo durante o período estudado... 74 Tabela 7 Medianas e percentis 25 e 75 das variáveis: condutividade elétrica (C.E.; µS.cm-1),
nitrato (µM), amônio (µM), nitrito (µM) e nitrogênio inorgânico dissolvido (NID; µM) na solução do solo nos quatro locais analisados no período do estudo. As
letras indicam quais locais diferiram entre si para cada variável testada... 74 Tabela 8 Análise Kruskal-Wallis sobre o efeito do período sobre as variáveis:
condutividade elétrica (C.E.; µS.cm-1), nitrato (µM), nitrito (µM) e amônio (µM)
da solução do solo... 75 Tabela 9 Análise Kruskal-Wallis sobre o efeito da ordem dos ribeirões Cachoeira e
Caxambu sobre as variáveis físico-químicas: temperatura (°C), condutividade elétrica (C.E.; µS. cm-1), oxigênio dissolvido (mg.L-1), pH, nitrato (µM), amônio
(µM) e NID (µM) durante o período de estudo... 79 Tabela 10 Mediana e percentis 25 e 75 das variáveis: temperatura (°C), condutividade
elétrica (C.E.; µS. cm-1), oxigênio dissolvido (mg.L-1), pH, nitrato (µM), amônio
(µM) e NID (µM) durante o período de estudo para os dois ribeirões estudados... 79 Tabela 11 Análise Kruskal-Wallis sobre o efeito do período sobre as variáveis: nitrato (µM),
amônio (µM) e nitrogênio inorgânico dissolvido (NID; µM) para cada um dos
ribeirões estudados... 81 Tabela 12 Análise de variância sobre o efeito da ordem do ribeirão Caxambu sobre os fluxos
normalizados pela área (mg.dia-1.ha-1) das variáveis N-nitrato e N-amônio durante
o período do estudo... 82 Tabela 13 Matriz de correlação de Spearman para as variáveis: sulfato, nitrato, amônio,
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 15
1.1. HIPÓTESE ... 18
2. REVISÃO DE LITERATURA ... 19
2.1. NITROGÊNIO ... 19
2.1.1. Processos de transformação de nitrogênio no solo ... 22
2.1.2. Avaliação das fontes e sumidouros de nitrogênio ... 25
2.2. SISTEMA RIPÁRIO ... 27
2.2.1. Funções desempenhadas pelo sistema ripário ... 27
2.2.2. Nomenclatura de floresta ripária ... 30
2.3. FLORESTA RIPÁRIA NO ESTADO DE SÃO PAULO ... 32
2.4. CONTAMINAÇÃO DOS RECURSOS HÍDRICOS ... 34
2.5. RESTAURAÇÃO DE RIOS: MONITORAMENTO E DIFICULDADES ... 35
3. MATERIAL E MÉTODOS ... 38
3.1. ÁREA DE ESTUDO ... 38
3.1.1. Descrição geológica e pedológica ... 42
3.1.2. Descrição climatológica ... 43
3.2. DESENHO EXPERIMENTAL ... 44
3.2.1. Local de amostragem ... 44
3.2.2. Freqüência de amostragem ... 49
3.3. MÉTODOS ANALÍTICOS ... 51
3.3.1. Solo ... 51
3.3.2. Solução do solo ... 58
3.3.3. Água do ribeirão ... 62
3.3.4. Análise estatística ... 65
4. RESULTADOS ... 67
4.1. PROCESSOS DE TRANSFORMAÇÃO DE NITROGÊNIO NO SOLO ... 67
4.2. CONCENTRAÇÃO DE NITROGÊNIO NA SOLUÇÃO DO SOLO ... 72
4.3. ÁGUA DO RIBEIRÃO ... 76
5. DISCUSSÃO ... 84
5.1. DINÂMICA DO NITROGÊNIO NO SOLO ... 84
5.2. NITROGÊNIO NO RIBEIRÃO CAXAMBU ... 92
6. CONCLUSÃO ... 97
REFERÊNCIAS ... 99
1. INTRODUÇÃO
O nitrogênio é um elemento essencial à vida, porém em concentrações excessivas pode se tornar um poluente importante. A agricultura, incluindo fixação biológica e fertilização nitrogenada, e o uso de combustíveis fósseis (GALLOWAY, et al., 2008) têm sido apontados como os principais responsáveis pelas alterações no ciclo do nitrogênio observadas nas últimas décadas em escalas locais, regionais e globais (GALLOWAY et al., 2003; GALLOWAY et al., 2008). Com relação aos ambientes aquáticos, dentre os principais danos causados pelo excesso de nitrogênio em águas destacam-se: a perda de biodiversidade (VITOUSEK et al., 1997) e a eutrofização (RABALAIS, 2002). Além de causar danos ambientais, o excesso de nitrogênio em águas, na forma de nitrato, tem sido responsável pela incidência de câncer do trato gástrico (CANTOR, 1997).
A água é vital. No que tange às atividades humanas ela foi, é e sempre será essencial para o desenvolvimento das atividades sociais e econômicas, de tal forma que a demanda hídrica só tende a aumentar (POSTEL; DAILY; EHRLICH, 1996), concomitantemente, ao crescimento populacional e a utilização dos recursos (BROWN, 1995). No entanto, trata-se de um recurso natural limitado, o qual vem sendo degradado gradativamente, especialmente em função de seu uso excessivo e de fontes de poluição (pontuais e difusas) (DODDS, 2000). Já existem muitas regiões no mundo com problema de falta de água (UNESCO, 2006). No Brasil, apesar de ser um país que apresenta índices adequados de oferta hídrica (UNESCO, 2006), as regiões com elevada densidade populacional e altamente industrializadas já enfrentam problemas de escassez de água (MARTINELLI et al., 2002; GROPPO et al., 2006; SERRA, 2007).
(CARPENPET et al., 2004; BERNHARDT et al.,2005; CRAIG et al., 2008). Em países como os Estados Unidos, a recuperação das vegetações ripárias é a atividade mais utilizada quando se objetiva melhorar a qualidade da água de um rio (BERNHARDT et al., 2005), tendo em vista que as florestas ripárias atuam na remoção de nitrogênio do solo, contribuindo, significativamente, para a atenuação do aporte desse elemento aos ambientes aquáticos (PETERJOHN; CORRELL, 1984; LOWRANCE et al., 1985; DAVIDSON; SWANK, 1986, PINAY; ROQUES; FABRE, 1993; GROFFMAN; CRAWFORD, 2003).
No Brasil, a recuperação de vegetação ripária, especialmente de florestas ripárias, tem sido amplamente incentivada e implementada por diferentes setores da sociedade, desde órgão públicos (Programa Matas Ciliares do Governo do Estado de São Paulo) a empresas privadas (Programa Água das Florestas – Instituto Coca-Cola Brasil) com o intuído de restaurar ambientes degradados, incluindo rios e riachos. No entanto, pouco esforço tem sido direcionado ao monitoramento dessas ações no que tange aos seus efeitos sobre a dinâmica do nitrogênio nos solos de zonas ripárias e, conseqüentemente, o seu efeito sobre a qualidade hídrica.
incluído aos estudos tradicionais sobre ciclagem de nutrientes. Paradoxalmente, esses tipos de ambientes são os que estão se tornando cada vez mais comuns, especialmente, em regiões metropolitanas de países em desenvolvimento, onde o problema de escassez hídrica já é uma realidade e que, portanto, demandam orientações científicas aplicadas as suas condições.
Nesse contexto, o entendimento sobre o papel das florestas ripárias como modulador da dinâmica do nitrogênio no solo em bacias hidrográficas com a cobertura natural alterada e seu conseqüente aporte ao corpo hídrico é fundamental para ampliar o conhecimento científico sobre as funções desempenhadas por este tipo de vegetação em áreas tropicais, onde mudanças de uso do solo são freqüentes. Além disso, esse conhecimento é importante para o avanço dos planos de manejo e monitoramento hídrico que lidam com as mais diferenciadas situações de uso da terra. Estudos nesse sentido permitem o desenvolvimento de estratégias de recuperação de ambientes aquáticos tropicais respaldadas em bases científicas sólidas, de tal forma que o re-estabelecimento das funções ecológicas do ecossistema funcione na manutenção e preservação da qualidade da água.
Assim, o objetivo do presente trabalho é investigar se existe mudança de comportamento dos processos que regulam a dinâmica do nitrogênio no solo em paisagens alteradas, com ênfase no papel desempenhado pela floresta ripária, bem como contextualizar a qualidade da água em termos de nitrogênio dos ribeirões que drenam essas paisagens.
1.1. HIPÓTESE
O objetivo apresentado foi baseado na seguinte hipótese:
2. REVISÃO DE LITERATURA
2.1. NITROGÊNIO
O nitrogênio é 7º elemento químico da tabela periódica, apresentando número atômico 7 e massa atômica de 14,00674 µ. Estima-se que o nitrogênio seja o quinto elemento químico mais abundante por massa do universo (TRIMBLE, 1996). No planeta Terra a massa de nitrogênio totaliza 4 x 1021 gramas, o que corresponde a massa de carbono, fósforo, oxigênio e enxofre somadas (MACKENZIE, 19981 apud GALLOWAY et al., 2003). É o quarto elemento químico essencial à vida em termos da concentração requerida (BERNER; BERNER, 1987), pois constitui os aminoácidos (monômeros das proteínas) e ácidos nucléicos (DNA e RNA) nos seres vivos, está presente nos neurotransmissores e também é componente de alcalóides, que são moléculas biológicas.
Embora o nitrogênio seja o elemento mais abundante na atmosfera, hidrosfera e biosfera terrestre, é o elemento menos prontamente disponível à biota; 99% do nitrogênio não está disponível para 99% dos seres vivos (GALLOWAY et al., 2003). Aproximadamente 78% do total do ar atmosférico é constituído por nitrogênio. Na atmosfera, esse elemento encontra-se no estado inerte que é o estado molecular (N2), não biologicamente disponível, devido a sua forte tripla ligação. O N2 deve ser transformado às formas biologicamente assimiláveis (nitrogênio reativo) para que se torne disponível aos seres vivos.
Os componentes de nitrogênio na natureza podem ser divididos em dois grupos: não reativo e reativo. A forma não reativa é a forma diatômica do nitrogênio (N2) e as formas reativas incluem todas as formas de nitrogênio ativo biologicamente, fotossinteticamente e radioativamente. O nitrogênio reativo pode ser subdividido em (i) componentes inorgânicos reduzidos (amônia (NH3), amônio (NH4+)) e componentes inorgânicos oxidados (óxido de
1
nitrogênio (NOx), acido nítrico (HNO3), óxido nitroso (N2O) e nitrato (NO3-)) e (ii) componentes orgânicos que são a uréia, aminas, aminoácidos, proteínas e ácidos nucléicos.
No ambiente natural, considerando um ciclo simples, ou seja, somente entrada e saída, o nitrogênio reativo só pode ser produzido de duas maneiras, por descargas elétricas e por fixação biológica2 (FBN) (GALLOWAY et al., 2003). No ambiente pré-humano, o nitrogênio reativo voltaria à atmosfera através do processo de desnitrificação. Dado que as taxas de fixação biológica e desnitrificação eram equivalentes, não havia acúmulo de nitrogênio reativo nos diferentes ecossistemas terrestres e aquáticos (AYRES; SCHLESINGER; SOCOLOW, 1994).
No entanto, esse estado de equilíbrio não mais está sendo mantido. O nitrogênio reativo está se acumulando no ecossistema em escalas locais, regionais e globais (GALLOWAY et al., 1995). Esse desequilíbrio tem como três causas principais: (i) aumento do cultivo de plantas fixadoras de nitrogênio, tais como soja, arroz e feijão, que convertem N2 a N orgânico; (ii) queima de combustíveis fósseis que produz NOx; e (iii) processo Haber-Bosch3, o qual converte N2 a amônia (HASTINGS; JARVIS; STEING, 2009; GALLOWAY et al., 2003).
Estima-se que, entre os anos de 1860 e 2050, a geração de nitrogênio reativo por fontes antrópicas deve aumentar de 262 TgN.ano-1 para 492 TgN.ano-1, respectivamente (GALLOWAY et al., 2004). Globalmente, a FBN pela agricultura contribuía com 15 TgN.ano-1 em 1869 e passou a contribuir com 31,5 TgN.ano-1 no início dos anos 1990; a queima de combustíveis fósseis que contribuía também com 15 TgN.ano-1 em 1860 passou a contribuir com 156 TgN.ano-1 no início dos anos 1990 (GALLOWAY et al., 2004).
2
Fixação biológica de nitrogênio é um processo biológico realizado por microorganismos (Rhizobium,
Bradyrhizobium e Azorhizobium) através de enzimas do tipo nitrogenase. 3
No Brasil, segundo Filoso et al. (2006), no ano de 2002 a principal fonte de entrada de nitrogênio foi a FBN (6.136 kg.km-2.ano-1), sendo 52% correspondente a FBN natural, dos quais 67% relativos somente à Amazônia. Os outros 48% são correspondentes a FBN antrópica, oriunda da agricultura. Os mesmos autores apontam ainda que, embora a FBN corresponda a um terço das entradas de nitrogênio no Brasil, nas áreas mais desenvolvidas do país como o Estado do São Paulo, as entradas por fertilizantes (1.210 kg.km-2. ano-1) e por queima de combustíveis fósseis já são relativamente altas.
Embora o uso de fertilizantes tenha resultado no aumento da produtividade e conseqüente melhoria da qualidade nutricional da população (SMIL, 2002), ele trouxe uma série malefícios. À saúde humana podem se destacar problemas cardíacos e respiratórios, dada a exposição a altas concentrações de ozônio, partículas finas e óxidos de nitrogênio (WOLFE; PATZ, 2002) e também cânceres do trato gástrico em função das altas concentrações de nitrato em águas de beber (CANTOR, 1997).
2.1.1.PROCESSOS DE TRANSFORMAÇÃO DE NITROGÊNIO NO SOLO
No solo o nitrogênio sofre uma série de transformações (ciclo terrestre do nitrogênio) (Figura 1).
Figura 1. Representação esquemática do ciclo do nitrogênio na biosfera
(adição de um próton – H+, oriundos da desorção de H+ dos colóides) e resulta na formação de moléculas de amônio. A transformação da amônia a amônio resulta em elevação do pH do solo, dado a retirada de íons H+ do solo. Os microorganismos envolvidos ao processo de amonificação são bactérias aeróbias facultativas e algumas anaeróbias estritas (Pseudomonas sp.; Bacillus sp.; Clostridium sp. etc); fungos (Alternaria sp.; Aspergilus sp.; Mucos sp.; Penicillum sp.; Rhizopus sp. etc.) e actinomicetos.
O amônio é então nitrificado até a forma de nitrato. O processo de nitrificação tem duas fases. Na primeira, ocorre a transformação do amônio a nitrito. É um processo realizado por bactérias autotróficas obrigatórias, conhecidas como Nitrosomonas (do gênero Nitrisimonas, Nitrisospira e Nitrosococcus), que altera o estado de oxidação do nitrogênio de 3- para 5+ (Equação 2). Na segunda fase da nitrificação ocorre a oxidação de nitrito a nitrato (Equação 3). As bactérias envolvidas nesse processo também são autotróficas obrigatórias denominadas de Nitrobacter. A nitrificação é favorecida por temperaturas entre 30 a 25°C, umidade de 50 a 70% da capacidade de campo e pH de 6,6 a 8,0. A nitrificação libera íons H+, resultando na acidificação do solo quando fertilizantes orgânicos e amoniacais são convertidos a nitrato (TISDALE; NELSON, 19704 apud SAHRAWAT, 2008).
Organismos heterotróficos também realizam nitrificação, no entanto em taxas mais baixas do que as realizadas por autotróficos (SAHRAWAT, 2008).
Proteínas Æ Aminoácidos Æ Amônia (NH3) Æ Amônio (NH4+) (1)
2 NH4+ + 3 O2Æ 2 NO2- + 2 H2O + 4 H+ + Energia (2)
4
TISDALE, S. L.; NELSON, W. L. Soil fertility and fertilizers. 2. ed. New York: The Macmillan Co., 1970.
2 NO2- + O2Æ 2 NO3- + Energia (3)
Durante o processo de oxidação do amônio e do nitrito pode haver pequena produção de N2O e NO por dismutação química do nitroxil (N-OH) ou por ação de redutase de nitrito (BREMNER, 1997; DAVIDSON et al., 2000) (Figura 2).
A saída do nitrogênio inorgânico do sistema terrestre ocorre através da desnitrificação, volatilização e lixiviação. Segundo Galloway et al. (2003) 80% das perdas de nitrogênio do sistema terrestre ocorrem através de formas gasosas.
A desnitrificação é o processo respiratório de bactérias que reduz as formas oxidadas de nitrogênio para formas gasosas de nitrogênio. O NO3- funciona como substituto ao aceptor de elétrons terminal. Ou seja, há doação de elétrons pela bactéria para a molécula de nitrato durante a respiração celular, resultando na liberação de energia (Equação 4 e Equação 5). Os principais microorganismos envolvidos na desnitrificação são as bactérias heterotróficas Pseudomonas; Paracoccus denitrificans e as bactérias autotróficas Thiohacillus denitrificans. A desnitrificação do nitrato é favorecida por condições anaeróbias, temperatura variando a 30°C e pH entre 6 e 8.
NO3-Æ NO2-Æ NO Æ N2O Æ N2 (4)
Figura 2. Diagrama hole-in-the pipe sobre a produção de NO e N2O pelos processos de nitrificação e
desnitrificação
Fonte: Adaptado de Davison et al. (2000).
O produto final da nitrificação e da desnitrificação vai depender, principalmente do conteúdo de água presente no solo, como demonstrado por Verchot et al. (1999) e do pH. Como demonstrado por esses autores, em condições intermediárias de umidade a nitrificação deve dominar e o produto final tenderá a ser o NO. Já, em condições de levada umidade, com a redução da quantidade de oxigênio no solo, haverá o predomínio da desnitrificação, com emissão de N2O. No somatório de nitrificação e desnitrificação, os solos de florestas ripárias, parecem mais propícios para retirar nitrogênio do solo (CORRELL, 1997).
2.1.2.AVALIAÇÃO DAS FONTES E SUMIDOUROS DE NITROGÊNIO
Para avaliar o comportamento do nitrogênio nos ecossistemas há a necessidade de se determinar quais sistemas atuam como fontes ou sumidouros de nitrogênio, bem como se deve considerar como as diferentes formas de nitrogênio estão se movendo entre os ecossistemas (GROFFMAN, 2000).
Locais tipo fonte de nitrogênio são aqueles que inerentemente são ricos em nitrogênio e/ou que são fertilizados e/ou que são lavouras com espécies fixadoras de nitrogênio
Atmosfera
NO N2O
Fase aquosa do solo
Fase gasosa do solo NO N2O
NH4
Nitrificação Desnitrificação
(GALLOWAY, 1995) e/ou apresentam alto grau de distúrbio (BORMANN; LIKENS, 1979). Locais tipo sumidouro apresentam condições favoráveis para a ocorrência dos processos que retiram nitrogênio do sistema terrestre.
Um potencial sumidouro somente desempenhará essa função se estiver localizado em uma posição da paisagem favorável ao recebimento de nitrogênio oriundo de locais tipo fonte. A capacidade de transmitir nitrogênio à atmosfera é uma das formas determinantes para a identificação dos sumidouros (GROFFMAN, 2000).
As variáveis do solo que mais influenciam o potencial de um local em transmitir nitrogênio para a atmosfera são a cobertura e o pH (GROFFMAN, 2000). A cobertura do solo influencia o potencial de um local ser afetado por vento e erosão. E solos com pH>8,0 tem alto potencial em volatizar o nitrogênio, enquanto solos com pH<5,0 apresentam potencial para produzir N2O e NO (FIRESTONE; DAVIDSON, 19895 apud GROFFMAN, 2000).
A justaposição das fontes e dos sumidouros de nitrogênio na paisagem é claramente o maior determinante dos fluxos de nitrogênio no sistema terrestre. Isso explica porque as florestas ripárias têm sido objeto de estudo no controle das saídas de nitrogênio de bacias hidrográficas agrícolas (LOWRANCE et al., 1984; PETERJOHN; CORRELL, 1984; OSBORNE; KOVARIC, 1993). A presença de um ecossistema com alto potencial para atuar como sumidouro, em uma posição para absorver o nitrogênio que está se movendo a partir da encosta, tem um grande impacto sobre a saída do nitrogênio da bacia hidrográfica.
5
2.2. SISTEMA RIPÁRIO
A floresta ripária ocupa uma das áreas mais dinâmicas da paisagem em termos hidrológicos, ecológicos e geomorfológicos (LIMA; ZAKIA, 2001).
A palavra ripária é oriunda da palavra riparius do latim que significa “pertencente ao dique de um rio” (“of for belonging to the bank of a river”)6.
Dado a sua posição na paisagem de uma bacia hidrográfica, os sistemas ripários integram interações entre componentes de ambientes aquáticos e terrestres (GRIMM et al., 2003). São ambientes caracterizados por fortes regimes energéticos, substancial heterogeneidade de habitats, diversidade de processos ecológicos e gradientes multidimensionais (NAIMAN; LATTERELL, 2005; NAIMAN et al., 2002; PINAY; CLÉMENT; NAIMAN, 2002; PINAY; ROQUES; FABRE, 1993). São também locais de alta concentração de biodiversidade em escalas regionais e continentais (NAIMAN; DÉCAMPS; POLLOCK, 1993). E podem apresentar características biogeoquímicas próprias (McCLAIN et al., 2003).
2.2.1.FUNÇÕES DESEMPENHADAS PELO SISTEMA RIPÁRIO
As zonas ripárias desempenham uma variedade de funções, incluindo: (i) filtração física da água, como remoção de sedimento (COOPER et al., 1987); (ii) retenção, transformação e liberação de nutrientes (LOWRANCE; TODD; ASMUSEN, 1984; COOPER; GILLIAM, 1987; TRISKA et al., 1989; McDOWELL; BOWDEN; ASBURY, 1992; OSBORNE; KOVACIC, 1993; McCLAIN; RICHEY; PIMENTEL, 1994; WILLIAMS; FISHER; MELACK, 1997; NEILL et al., 2006a); (iii) regulação da luz e condições térmicas nos rios (HILL; DIMICK, 2002; KIFFNEY; RICHARDSON; BULL, 2004; BOOTHROYD
6
et al., 2004); (iv) provisão de energia e matéria para consumidores aquáticos (MINSHALL, 1967; CUMMINS et al., 1989, AFONSO; HENRY; RODELLA, 2000); e (vi) provisão de corredores para dispersão de plantas e animais (NAIMAN; DÉCAMPS; POLLOCK, 1993; GREGORY et al., 1991; KEUROGHLIAN; EATON, 2008).
Para a maioria desses processos há carência de padronização da metodologia de acesso e/ou não são rotineiramente medidos (MINSHALL; RUGENSKI, 2007).
Os estudos sobre a influência de zonas ripárias sobre a qualidade hídrica tiveram um crescimento exponencial a partir da década de 1970. Nessa década, a média de publicação foi de 2,5 artigos por ano, ao passo que subiu para 35 artigos por ano na década de 1990 (CORRELL, 1997). Esses estudos se concentraram em países de clima de temperado, com pequena participação de estudos em regiões tropicais, cujas contribuições originaram-se na Nova Zelândia. Porém, mesmo com esse expressivo aumento no número de publicações, Correll (1997) diz que a ciência ainda está longe de ter um conhecimento adequado sobre o efeito das zonas ripárias na qualidade da água.
No Brasil, estudos sobre o papel de zonas ripárias tiveram início com Mcdowell; Bowden; Asbury (1992), McClain; Richey; Pimentel (1994) e Williams; Fisher; Melack (1997) ao longo da década de 1990 e pouca evolução foi observada após esses estudos na Amazônia, podendo-se destacar Neill et al., (2006a); Parron (2004).
2.2.1.1. MECANISMOS DE REMOÇÃO E TRANSFORMAÇÃO DO NITRATO EM ZONAS RIPÁRIAS
retenção de nitrogênio pela vegetação e transformação do amônio e nitrogênio orgânico seguida pela retenção em solos de zonas ripárias (CORRELL, 1997).
A desnitrificação muitas vezes é apontada como sendo o mecanismo primário de retenção de nitrato. No entanto devido ao fato desse mecanismo apresentar elevada variabilidade temporal e espacial (GROFFMAN et al., 2006) há dificuldade de se determinar precisamente os fluxos de gases de nitrogênio oriundos desse processo. Medições da desnitrificação através de incubações em laboratório têm sido amplamente utilizadas em estudos em zonas ripárias (GROFFMAN et al., 1992; GROFFMAN et al., 2001; GROFFMAN; CRAWFORD, 2003; GARDNER, 2008).
A maioria dos estudos indica que a desnitrificação em zonas ripária ocorrem nos primeiros centímetros do solo. Em função disso, as condições físicas em zonas mais profundas do solo que incluem baixa temperatura, baixo pH e baixa concentração de matéria orgânica, levaram Fail et al. (1986) a concluir que a assimilação pela vegetação seria importante para a retirada nitrato do solo. Posteriormente, foi verificado que a assimilação conjuntamente ao armazenamento na biomassa seria um importante mecanismo de retirada de nitrogênio do sistema (PETERJOHN; CORRELL, 1984; BEARE; LOWRANCE; MEYER, 1994; EVANYLO, 1994).
Mas o nitrogênio oriundo da água subterrânea contido na biomassa somente representava 30% advindo da encosta, o que não seria suficiente para explicar a redução total de nitrato em zonas ripárias (CORRELL, 1997). O que suge que o “bio-armazenamento” somado a ciclagem interna do nitrogênio no solo da floresta ripária seria importante para o resultado final da remoção do nitrato em florestas ripárias (CORRELL, 1997).
nitrogênio orgânico depositado ao solo da floresta como serrapilheira poderia ser gradualmente mineralizado e desnitrificado na superfície do solo (CORRELL, 1997).
A desnitrificação é dependente de baixos potencias de oxi-redução (CORRELL, 1997). Em função disso, bem como pelo fato da desnitrificação ser bastante variável temporal e espacialmente, dada a sua dependência de condições muito particulares para a sua ocorrência (ausência de O2, nitrato e carbono em concentrações não limitantes). A desnitrificação deve estar associada a períodos curtos entre eventos de chuva ou ser um fenômeno sazonal. O que sugere que uma combinação de processos, nitrificação e desnitrificação, seria responsável pela remoção do nitrato do sistema terrestre (CORRELL, 1997).
2.2.2.NOMENCLATURA DE FLORESTA RIPÁRIA
No Brasil, muitos são os termos utilizados para denominar as vegetações, que margeiam corpos hídricos (RODRIGUES, 2001). Porém, eles não refletem a complexidade ecológica associada a essas vegetações (NAIMAN; DÉCAMPS; MCCLAIN, 2005; AB’SABER, 2001; RODRIGUES, 2001). Dentre os termos populares destacam-se, floresta e/ou mata ripária, de galeria, de brejo, de várzea, aluvial etc. Rodrigues (2001) afirma que a característica fisionômica por si só não expressa as características edáficas, climáticas, de relevo etc. do ecossistema ribeirinho e também não garante a sua representação na composição florística da maioria dos tipos vegetacionais ribeirinhos.
Segundo a Lei 4771/65 (BRASIL, 1965, grifo nosso) que estabelece APP em seu Artigo primeiro Parágrafo segundo Alínea II:
[...] II - área de preservação permanente: área protegida nos termos dos arts. 2o e 3o desta Lei, coberta ou não por vegetação nativa, com a função ambiental de preservar os recursos hídricos, a paisagem, a estabilidade geológica, a biodiversidade, o fluxo gênico de fauna e flora, proteger o solo e assegurar o bem-estar das populações humanas;
[...]
E ainda, especificam as APP como: [...]
a) ao longo dos rios ou de qualquer curso d'água desde o seu nível mais alto em faixa marginal cuja largura mínima será:
1 - de 30 (trinta) metros para os cursos d'água de menos de 10 (dez) metros de largura;
2 - de 50 (cinquenta) metros para os cursos d'água que tenham de 10 (dez) a 50 (cinquenta) metros de largura;
3 - de 100 (cem) metros para os cursos d'água que tenham de 50 (cinquenta) a 200 (duzentos) metros de largura;
4 - de 200 (duzentos) metros para os cursos d'água que tenham de 200 (duzentos) a 600 (seiscentos) metros de largura;
5 - de 500 (quinhentos) metros para os cursos d'água que tenham largura superior a 600 (seiscentos) metros;
b) ao redor das lagoas, lagos ou reservatórios d'água naturais ou artificiais; c) nas nascentes, ainda que intermitentes e nos chamados "olhos d'água", qualquer que seja a sua situação topográfica, num raio mínimo de 50 (cinquenta) metros de largura;
[...]
2.3. FLORESTA RIPÁRIA NO ESTADO DE SÃO PAULO
O histórico de degradação de florestas ripárias no Estado de São Paulo está atrelado ao contexto de uso e ocupação do solo brasileiro.
Desde a instalação dos primeiros povos na porção referente à floresta Atlântica na América do Sul (DEAN, 1996), sucessivos ciclos produtivos (pau-brasil, ouro, café, cana-de-açúcar) e de desenvolvimento socioeconômico, ora utilizando matéria prima da floresta ora estabelecendo cidade, fizeram com que a floresta Atlântica fosse reduzida a menos de 10% de sua abrangência original (DEAN, 1996; BRASIL, 2002; Figura 3). Os fragmentos florestais atlânticos de hoje, podem ser meramente florestas secundárias avançadas, não havendo quase nenhuma floresta Atlântica primária (DEAN, 1996).
Figura 3. Distribuição original da Floresta Atlântica em antes de 1500 e a sua distribuição nos anos 1990. Pequenos fragmentos não estão representados no mapa
Atualmente, 110 milhões de pessoas vivem em mais de 3000 cidades instaladas em regiões desmatadas de floresta Atlântica (FUNDAÇÃO SOS MATA ATLÂNTICA, 2009). Originalmente, o Estado de São Paulo apresentava 82% de sua área coberta por floresta Atlântica (VICTOR, 1977). Atualmente, existem somente 12% do Estado coberto por floresta (KRONKA et al., 2003).
A alteração da cobertura do solo no Estado de São Paulo incluiu as regiões de florestas ripárias que, por se tratarem de áreas adjacentes a cursos d’água, foram vetores primários das primeiras ocupações humanas (DEAN, 1996). A partir do século XX, as pressões mais intensas para o desmatamento dessas florestas ripárias estavam ligadas à expansão agrícola, à implantação de agroindústrias e à construção de grandes empreendimentos, especialmente, usinas hidrelétricas (BARBOSA, 1989; DÉCAMPS; NAIMAN, 1990; JOLY, 1994; BARBOSA; ASPERTI; SANTOS, 1997). No caso das áreas mais populosas do Brasil, as florestas ripárias foram reduzidas drasticamente e, quando presentes, encontram-se normalmente bastante perturbadas (BARBOSA, 2001).
Dos 248.209.426 km2 da área do Estado de São Paulo, 1,7% são florestas ripárias (SMA, 2008). A maior concentração dessas vegetações ripárias está nas áreas de maior declividade, na Serra do Mar e nas unidades de conservação administradas pelo Governo do Estado (SÃO PAULO, 2004). Atualmente, existem no Estado de São Paulo, aproximadamente, um milhão de hectares de floresta ripária desmatados (SMA, 2008).
encontram-se cobertos por vegetação ripária, sendo a pastagem a vegetação predominante (SILVA et al., 2007).
2.4. CONTAMINAÇÃO DOS RECURSOS HÍDRICOS
A água é o primeiro recurso de sobrevivência. A sua disponibilidade é um componente essencial no desenvolvimento socioeconômico (UNESCO, 2006). A escassez de água é causada por dois fatores essenciais: consumo e contaminação (DODDS, 2000).
A contaminação dos recursos hídricos ocorre por fontes pontuais e difusas de poluição e através da precipitação. As fontes pontuais são aquelas lançadas diretamente em águas superficiais como esgoto doméstico e industrial, fossas sépticas, depósitos de lixo e dejetos de animais. As fontes difusas são resultado do escoamento superficial e vazamentos das áreas rurais e urbanas. As contaminações por chuva, resultado da poluição atmosférica, seguem diretamente a rios e lago.
O maior contaminante de águas no Brasil é ainda o esgoto doméstico. Em 2000, 80% do volume de esgoto gerado no Brasil foi lançado in natura para os rios (IBGE, 2000).
No Estado de São Paulo onde a maior parte do esgoto também não é tratado,
Martinelli et al. (1999); Martinelli et al. (2002) e Groppo et al. (2008) verificaram que o
esgoto não tratado é a causa principal das alterações observadas na qualidade da água de
diversas bacias no Estado de São Paulo.
plantações de Pinus caribaea altera o conteúdo de carbono transportado à água subterrânea (CISGLASCH et al., 2004) podendo contribuir com a mudança da química da água dos corpos hídricos nessas plantações.
Na Amazônia, Chaves et al. (2008) verificaram que a conversão de floresta em pastagem aumenta a participação da água oriunda do escoamento superficial sobre a água de córregos, o que potencialmente pode significar aumento das concentrações de solutos na água de córregos que drenagem essas pastagens. Corroborando esse o estudo, Markevitz et al. (2001) verificaram que as camadas mais superficiais dos solos amazônicos sob corte e queima são as principais responsáveis pela alteração da composição catiônica de riachos amazônicos.
2.5. RESTAURAÇÃO DE RIOS: MONITORAMENTO E DIFICULDADES
Restauração de rios significa a reparação de corpos hídricos que não mais desempenham funções ecológicas e sociais essenciais, como: mitigar inundações, prover água potável, remover nutrientes que estão em níveis excessivos e sedimento antes que atinjam águas costeiras e manter habitat adequado para a vida aquática e selvagem (PALMER; ALLAN, 2006; BERNHARDT; PALMER, 2007; CRAIG et al., 2008).
A restauração de rios e riachos tem se tornado um fenômeno mundial, bem como um próspero negócio (CARPENPET et al., 2004; BERNHARDT et al., 2005). Os Estados Unidos são um país que apresentam uma grande variedade de projetos de restauração de rios (BERNHARDT et al., 2005). Neste país, dentre as 10 atividades mais utilizadas para o manejo da qualidade da água de rios e riachos, a primeira posição foi ocupada por projetos que visam à criação e manutenção de vegetações ripárias (PALMER et al., 2008).
a Secretaria do Meio Ambiente do Estado de São Paulo desenvolve o Projeto de Recuperação de Matas Ciliares (SÃO PAULO, 2009) e o Instituto Coca-Cola colabora com o reflorestamento de 3000 ha na bacia hidrográfica do rio Jundiaí através de seu Programa Água das Florestas (INSTITUTO COCA-COLA, 2005). No entanto, assim como nos Estados Unidos (PALMER; ALLAN, 2006), poucas são as iniciativas que visam o monitoramento efetivo do efeito do reflorestamento de florestas ripárias sobre as variáveis constituintes da qualidade da água, como o nitrogênio.
Existe uma lacuna entre a transformação do conhecimento científico em aplicações práticas no âmbito dos estudos ambientais (PALMER; BERNHARDT, 2006; MAYANNA; NOBRE, 2007; NOBRE; MAYANNA; OMETTO, 2008) e essa lacuna dificulta o trabalho de monitoramento da efetividade das ações de restauração de florestas ripárias sobre a qualidade da água.
No que tange o entendimento das funções de florestas ripárias como mantenedoras da qualidade hídrica no Brasil essa lacuna é reforçada pelo fato de estudos sobre a função de vegetações ripárias ter se concentrado em países de clima temperado. Maior é a dificuldade quando se tem um cenário de elevada degradação de florestas ripárias, como é o caso do Estado de São Paulo, onde pequenos fragmentos de floresta ripária estão dispersos em meio a paisagem agrícola.
O desenvolvimento de ciência aplicada voltada ao monitoramento do efeito de atividades de restauração no âmbito da ciclagem biogeoquímica não é trivial.
Escala da Biosfera-Atmosfera na Amazônia (LBA, sigla em inglês)). Esses estudos tem se limitado ora a micro escala ora a larga escala.
Na micro escala, esse tipo de estudo tem mostrado a importante função do processamento de nutrientes que ocorre nas cabeceiras das bacias, nas zonas ripárias e nos rios de primeira e segunda ordens (PETERJOHN; CORRELL, 1984, TRISKA et al. 1984, GRIMM 1987, MULHOLLAND 1992; NEILL et al., 2006a; SALEMI, 2009). Na larga escala, os estudos científicos permitiram a observação dos efeitos das atividades antrópicas ao ciclo do nitrogênio em ecossistemas, vide o problema de eutrofização, mencionado anteriormente.
Outra dificuldade da aplicação da ciência à prática relaciona-se aos locais de estudo. Ambientes não alterados que são extensamente estudados, estão alocados em ecoregiões diferentes daquelas onde estão localizados ambientes antropizados, o que torna o processo de extrapolação de taxas e tendências difícil de ambientes naturais para os alterados (PINAY; CLÉMENT; NAIMAN, 2002).
Atualmente, a ciência é incapaz de realizar medidas simultâneas em várias localidades ao longo de pequenas bacias hidrográficas. Essa deficiência está relacionada à disponibilidade instrumental, custos e quantidade de pessoas requeridas para a coleta de amostras e operação de instrumentos (BERNHARDT et al., 2006). Em países como o Brasil, essa deficiência é ainda maior devido ao próprio problema da ausência de recursos financeiros para o desenvolvimento de estudos científicos diversificados (CARVALHO; CAMPOS; BEVILACQUA, 2002).
3. MATERIAL E MÉTODOS
Optou-se pelo uso do termo ripário, ao longo dessa dissertação, dado que a ele está associado o complexo conceito de interações geomorfológicas, hidrológicas e biogeoquímicas existentes no ambiente situado ao lado de um corpo hídrico.
3.1. ÁREA DE ESTUDO
Para estudar o efeito da presença de floresta ripária no contexto de uma bacia hidrográfica com alto grau de degradação escolheu-se uma bacia onde essa característica fosse presente, a qual será objeto de atividades de reflorestamento ripário no âmbito do Projeto Águas das Florestas do Instituto Coca-Cola (2005).
Assim, a área de estudo está inserida a bacia hidrográfica do ribeirão Caxambu que totaliza, aproximadamente, 100 km2. Esta bacia localiza-se no interior do Estado de São Paulo, entre os municípios de Jundiaí, Cabreúva e Itupeva à, aproximadamente, 60 km da cidade de São Paulo.
Para o georreferenciamento da bacia escolhida foram utilizadas cartas cartográficas do IBGE 1:50.000 de Indaiatuba (IGBE, 1973b), Jundiaí (IGBE, 1971), Cabreúva (IGBE, 1973a) e Santana do Parnaíba (IGBE, 1984). A classificação do uso da terra foi realizada com as bandas 3, 4 e 5 de imagem Landsat TM (resolução de 30 m), cena 219/76, obtida junto ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) referente à passagem do dia 17/17/2008. O trabalho foi desenvolvido com o auxílio do software Arcgiz versão 9.2 para o Windows.
águas de mais dois ribeirões importantes para a formação do Caxambu, sendo que um deles não apresenta nome e o outro denomina-se ribeirão das Pedras. Todos esses quatro ribeirões nascem na Serra do Japi, que é uma Reserva Biológica (AB’SABER, 1979; SÃO PAULO, 1983; UNESCO, 1994).
A bacia do ribeirão Caxambu pode ser caracterizada como rural-urbana, em função da presença concomitante de áreas agrícolas, florestas nativas e plantadas, condomínios residenciais e indústrias de pequeno, médio e grande porte (Figura 4; SÃO PAULO, 2009). Cerca de 60% ou 58 km2 da bacia encontra-se coberta por floresta, incluindo floresta natural e plantada. A floresta natural concentra-se principalmente na região da Serra do Japi que é a cabeceira da bacia (Figura 4). As florestas plantadas se concentram ao pé da Serra do Japi (BEZERRA; MANFRINATO, 2007) e a sua expansão para o resto da Serra deve ter sido freada em função da instituição da Reserva Biológica anteriormente citada. Alguns fragmentos de floresta natural dispersos à paisagem puderam ser observados através de sobrevôo a bacia hidrográfica, possibilitando a identificação de um longo e continuo fragmento de floresta ripária as margens ribeirão Caxambu (Figura 4; BEZERRA; MANFRINATO, 2007).
Sobre a agricultura observam-se, principalmente, plantações de uva, café, morango e pêssego nas pequenas propriedades ao longo do ribeirão Caxambu (CARNEIRO, 2008; BEZERRA; MANFRINATO, 2007). Nas regiões ao pé da serra há o predomínio de pastagem em fazendas extensas (BEZERRA; MANFRINATO, 2007).
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o longo do ao longo do és de visitas o Caxambu
Vale destacar que o ribeirão Cachoeira e o ribeirão Caxambu apresentam ordens distintas, sendo o primeiro de ordem três e o segundo de ordem quatro.
Utilizou-se o Código Florestal (1965) como base para estabelecer extensão da zona ripária. Dadas as larguras dos ribeirões estudados, a zona ripária deve ser de 30 m. Buscou-se um trecho do ribeirão em que essa extensão fosse respeitada. No entanto, dado que na região do estudo a extensão média da floresta ripária é de 25 m (CARDOSO-LEITE et al., 2005), aceitou-se esta extensão como referência.
A área de estudo do trecho do ribeirão Cachoeira apresenta-se predominantemente ocupada por pastagem (Brachiaria decumbens), mas há a presença de eucalipto e algumas espécies florestais dispersas na paisagem (BEZERRA; MANFRINATO, 2007). Vale destacar que a zona ripária de 25 m ao longo do ribeirão Cachoeira apresentava algumas vegetações arbustivas em regeneração.
O trecho escolhido do ribeirão Caxambu percorre uma paisagem onde predominam pequenas propriedades, cuja principal cultura desenvolvida é a uva, quando se considera a margem esquerda, mas há também a presença de chácaras para usos diversos no lado direito do ribeirão (município de Jundiaí) (BEZERRA; MANFRINATO, 2007). Há a presença de floresta ripária secundária nas zonas marginais do ribeirão Caxambu (Figura 4 e Figuras 6c e 6e; BEZERRA; MANFRINATO, 2007), a qual de acordo com imagens de satélite e com o sobrevôo (BEZERRA; MANFRINATO, 2007) é o fragmento ripário mais bem preservado na bacia do Caxambu.
Nas florestas ripárias do Japi há o predomínio das seguintes espécies: Bathysa
meridionalis Smith & Downs, Cabralea canjerana (Vell.) Mart., Cedrela fissilis Vell.,
Ocotea puberula (Rich.) Ness, Rapanea umbellata (Mart.) Mez (CARDOSO-LEITE et al.,
3.1.1.DESCRIÇÃO GEOLÓGICA E PEDOLÓGICA
Dado que os trechos dos ribeirões em estudo estão contidos na bacia do Caxambu e que esta está inserida no contexto geológico da Serra do Japi, a descrição geológica s aqui apresentada se dá em função da Serra do Japi.
A Serra do Japi é uma feição geomorfológica a oeste do Planalto Atlântico (SANTORO; MACHADO-JUNIOR, 1992), com domínio de morros com pequenas serras e picos quartizíticos (AB’SABER, 1992).
Os solos na bacia hidrográfica do ribeirão Caxambu seguem a seguinte classificação da EMBRAPA: PVA41 - Argissolos Vermelhos-Amarelos distróficos textura argilosa relevo forte ondulado + Cambissolos Háplicos distróficos textura argilosa e média relevo forte ondulado e montanhoso ambos A moderado e PVA52 - Argissolos Vermelhos-Amarelos
distróficos textura média/argilosa + Latossolos Vermelhos-Amarelos distróficos textura argilosa ambos A moderado relevo
suave ondulado e ondulado (IAC, 1999; Hélio do Prado, informação pessoal7).
3.1.2.DESCRIÇÃO CLIMATOLÓGICA
O clima da região é estacional com estação quente e úmida e seca e fria (PINTO, 1992), havendo o predomínio de climas Cfa e Cfb pela classificação de Köppen (SETZER, 1966). A pluviosidade média da região é de 1400 mm.ano-1 (IAC, 2009). A temperatura média mínima para essa área é de 14,2°C e a máxima de 27,6°C (IAC, 2009). A Figura 5 traz a média histórica da temperatura e da precipitação para o posto meteorológico de Jundiaí, o qual era o mais próximo à bacia hidrográfica onde se realizou o estudo.
7
Figura 5. Média histórica da temperatura (oC) (♦) e da precipitação (mm) (■) para o período de 1961 a 1990 na cidade de Jundiaí
Fonte: Posto meteorológico de Jundiaí (23,20S - 46,88O) (IAC, 2009). Elaborado pela autora.
3.2. DESENHO EXPERIMENTAL
3.2.1.LOCAL DE AMOSTRAGEM
Primeiramente, foram estabelecidos os locais de coleta de água nos ribeirões.
Seis locais foram determinados, sendo três no trecho do ribeirão Cachoeira, sem floresta ripária e três no ribeirão Caxambu, com floresta ripária; de tal forma a englobar o início e o fim das faixas ripárias (Figura 6a). Os três pontos do ribeirão Cachoeira representaram o uso pastoril do solo na bacia hidrográfica (Figuras 6b e 6d). Os três pontos do ribeirão Caxambu representaram o uso agrícola do solo na bacia (Figuras 6c e 6e). No caso do ribeirão Caxambu, a determinação dos pontos de coleta de água também levou em conta aspectos de logística como acesso ao ribeirão e permissão dos proprietários rurais.
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apresentar-se mais homogêneo em relação ao lado direito e também porque a floresta ripária deste lado encontrava-se em melhor estado de conservação.
Os locais de amostragem de solo foram alocados próximos aos locais de coleta de água do ribeirão, separados em zona ripária e encosta. O limite entre zona ripária e encosta foi determinado como sendo de 25 m a partir da calha do ribeirão. E a encosta apresentou comprimento de aproximadamente 100 m a partir do final da zona ripária de cada trecho dos ribeirões em análise. Desta forma ao longo da encosta em direção ao canal foram definidas as seguintes áreas de coleta.
Ribeirão Cachoeira
• Solo de encosta pastoril (anterior a zona ripária pastoril).
• Solo de zona ripária pastoril.
Ribeirão Caxambu
• Solo de encosta agrícola (anterior a zona ripária florestada com diferentes tipos de lavoura, tais quais milho e uva.
• Solo de zona ripária florestal.
localizou-se adjacentemente ao ponto 2 e no ribeirão Caxambu localizou-se adjacentemente ao ponto 5.
A Figura 7 ilustra os locais de amostragem para água, solo e solução do solo, utilizados pelo estudo. Bem como indica as distâncias entre cada um dos pontos de coleta de água e, conseqüentemente indica a distância entre os locais de coleta de solo.
Figura 7. Esquema explicativo dos locais de amostragem de água dos ribeirões, solo e solução do solo
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No caso do estudo sobre os processos de transformação do nitrogênio a freqüência e a quantidade de amostras diferiram para a determinação dos processos de mineralização e nitrificação e para a determinação da desnitrificação potencial.
Para a determinação da mineralização e da nitrificação, em cada local de amostragem de solo três amostras compostas por cinco amostras simples (Figura 7) foram obtidas em cinco meses do ano. A área amostrada para a obtenção de cada amostra composta foi de, aproximadamente, 0,54 m2 e foi determinada ao acaso.
Os cinco meses de coleta foram determinados de tal forma que representassem as estações de seca e de chuva, bem como o intervalo entre essas estações. Assim, os solos foram amostrados nos meses de janeiro de 2008, abril de 2008, julho 2008, outubro de 2008 e janeiro de 2009.
No caso da determinação do processo de desnitrificação potencial nove amostras compostas por cinco amostras simples cada uma delas foram coletadas em cada uma das quatro áreas de estudo. Neste caso, as amostras foram obtidas em dois meses do ano, para representar o período seco e o período chuvoso (julho de 2008 e janeiro 2009, respectivamente).
Cada amostra simples foi obtida por tradagem. Essas amostras foram coletadas entre 0 a 7 cm de profundidade após a retirada da serrapilheira do local de amostragem.
As amostras de solo foram armazenadas em sacolas plásticas e trazidas do campo ao laboratório em isopores com gelo.
(Figura 7; OSBORNE; KOVACIC, 1993). No final, três extratores foram instalados na zona ripária e três extratores na encosta, tanto na área de drenagem do ribeirão Cachoeira quanto na área de drenagem do ribeirão Caxambu.
As coletas de solução do solo abrangeram um ano hidrológico, de dezembro de 2007 a novembro de 2008. Sendo que foram dividas em período seco (abril a outubro) e período chuvoso (novembro a março) de acordo com balanço hídrico demonstrado pela Figura 5. Durante o período seco foram realizadas coletas mensais e durante o período chuvoso foram realizadas coletas quinzenais. Porém, levando-se em conta que nem todas das amostras foram analisadas até o fechamento dessa dissertação. Neste trabalho, são apresentados somente os dados referentes ao período de dezembro de 2007 a julho de 2008, totalizando nove coletas, sendo cinco coletas no período chuvoso e quatro coletas no período seco.
Os extratores de solução do solo instalados tinham as seguintes características: 0,5 polegadas de diâmetro, 60 a 70 cm de comprimento para serem instalados a uma profundidade de 50 cm e cápsula porosa.
3.3. MÉTODOS ANALÍTICOS
3.3.1.SOLO
